本发明专利技术提供了一种用于交叉点阵列的多模式可重构的忆阻选通单元及其制备方法，该选通单元由一个数字型忆阻器和一个模拟型忆阻器串联组成，且共用同一阻变层，结构简单，具有工艺兼容性。忆阻选通单元的运行方法能够通过多工作模式切换使忆阻选通单元实现选通行为和阻变行为；通过对单一数字型的调控实现忆阻单元的调控，实现了选通功能与阻变行为的重构，对于交叉点阵列等集成电路技术发展具有重要意义。意义。意义。
【技术实现步骤摘要】
一种多模式可重构的忆阻选通单元及其制备方法
[0001]本专利技术涉及一种多模式可重构的忆阻选通单元及其制备方法，适用于交叉点阵列等大规模集成电路中，属于半导体技术工艺领域。
技术介绍
[0002]在后摩尔时代，人工智能、大数据、物联网等技术发展迅速，传统冯诺依曼架构的“存储墙”、“能耗墙”等问题，极大限制了算力的进一步提升。存算一体技术通过以数据为中心的架构，将存储单元与计算单元结合，节省了数据在处理器与存储器之间频繁转移的时间和功耗，被认为是突破当前冯诺依曼瓶颈的有利途径。存算一体技术通常利用交叉点阵列结构，但在交叉点阵列中普遍存在泄漏电流问题，不仅严重影响了阵列的存储密度和读写精度，还导致了更高的功耗。因此，交叉点阵列结构通常需要利用选通器，对目标单元进行选择导通，抑制集成芯片中未选择单元的读取干扰，避免潜通路带来的功耗，从而降低集成芯片的整体能耗。
[0003]交叉点阵列中起选通功能的器件通常有晶体管、二极管、忆阻器等器件。但晶体管存在制备工艺复杂、多次光刻成本高、集成面积大等问题。而二极管会限制反向电流，仅适用于单极性器件，具有很大的局限性，不利于选通器在大规模阵列中的应用与发展。忆阻器具有结构简单、面积小、开关比大、集成密度高等优点，不仅可在交叉点阵列单元中作为计算单元，也可作为选通器。但当前忆阻选通器和忆阻计算单元的制作工艺、结构、功能层材料与目标单元的兼容性不高，这导致集成难度大。根据忆阻器的阻变行为，可将其分为数字型和模拟型。数字型忆阻器有明显的阈值电压和大开关比，状态保持能力好，可作为存储器或选通器。而模拟型忆阻器的电阻可随着外加信号的调控，连续的增大和减小，模拟神经突触可塑性并存储突触权重，可用于计算单元。
[0004]为此，基于同一材料功能层的具备工艺兼容、易集成的忆阻选通单元对于交叉点阵列等集成电路技术发展具有重要意义。
技术实现思路
[0005]本专利技术提供了一种用于交叉点阵列的多模式可重构的忆阻选通单元及其制备方法，该选通单元由一个数字型忆阻器和一个模拟型忆阻器串联组成，且共用同一阻变层。所述运行方法能够通过多工作模式切换，使忆阻选通单元实现选通行为和阻态高低变化的阻变行为。通过对单一数字型的调控实现忆阻单元选通功能与阻变行为的重构，对于交叉点阵列等集成电路技术发展具有重要意义。
[0006]本专利技术基于单一功能层，提供了一种多模式可重构的忆阻选通单元的制备及运行方法。
[0007]忆阻选通单元从下而上包括三个部分，即共用底电极、阻变层和分离的两个顶电极。忆阻选通单元由模拟型和数字型忆阻器串联构成。
[0008]共用底电极采用的材料包括但不限于TiN，其中电阻率在0.002~0.004 Ω
•
cm的高
掺Si衬底也可作为底电极。
[0009]模拟型忆阻器和数字型忆阻器的阻变层为同一阻变层，使用材料包括但不限于Al2O3、ZnO等。
[0010]分离的两个顶电极因其材料性质不同，导致忆阻器的行为不同。数字型顶电极材料为活性电极包括但不限于Cu、Ag或Al，模拟型顶电极材料为惰性电极包括但不限于TiN或Pt。
[0011]本专利技术所述三端忆阻单元的调控方法基于三种工作模式：工作模式Ⅰ(单一模拟模式)为模拟型顶电极上施加电压，底电极接地，数字型顶电极浮空；工作模式Ⅱ(单一数字模式)为数字型顶电极上施加电压，底电极接地，模拟型顶电极浮空；工作模式Ⅲ(组合单元模式)为数字型顶电极上施加电压，模拟型顶电极接地，底电极浮空。
[0012]单一器件而言，模式Ⅰ针对模拟型器件，模式II针对数字型，通过模式Ⅰ和Ⅱ切换实现忆阻选通单元模拟型忆阻和数字型忆阻行为切换。
[0013]组合单元而言，在工作模式Ⅲ中通过工作模式Ⅱ对数字型的高阻态（HRS）和低阻态（LRS）切换，调节组合单元的选通功能，实现组合单元的选通行为和阻变行为的可重构。
[0014]忆阻选通单元的工作方法包括以下步骤:（1）在工作模式Ⅰ中，施加电信号，重复复位（RESET）和置位（SET）器件在HRS和LRS间切换，最终使器件出现稳定的窗口和电导调制效果，此时表现为模拟型忆阻器模式；（2）在工作模式Ⅱ中，施加电信号，重复RESET和SET使器件在HRS和LRS间切换，最终使器件具有可重复的稳定的开关比和阈值电压，此时表现为数字型忆阻器模式。
[0015]（3）在工作模式Ⅱ中，将数字型忆阻器调整到HRS；（4）在工作模式Ⅲ中，使用单脉宽正负幅值的连续双脉冲读取组合单元电导，读电流成倍减小，可视为忆阻选通单元未选通；（5）在工作模式Ⅱ中，将数字型忆阻器调整到LRS；（6）在工作模式Ⅲ中，使用单脉宽正负幅值的连续双脉冲读取组合单元电导，组合单元开关比和读电流与单模拟型相仿，忆阻选通单元选通并表现出阻变行为，实现组合单元的选通行为和阻变行为的重构功能。
附图说明
[0016]图1是本专利技术所述忆阻选通单元的集成阵列示意图；图2是本专利技术所述忆阻选通单元的垂直剖面示意图；图3是本专利技术所述忆阻选通单元三种工作模式的电压施加方式示意图；图4是本专利技术所述忆阻选通单元中（a）模拟型忆阻器和（b）数字型忆阻器的I
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V曲线；图5是本专利技术所述忆阻选通单元的可重构示意图；图1和图2中数字标注含义如下：1为模拟型顶电极，2为数字型顶电极，3为阻变层，4为底电极。
具体实施方式
[0017]实施例1：一种基于Al2O3材料的多模式可重构忆阻选通单元的制备及运行方法。
[0018]如图1所示，实施例1中制备的忆阻单元的集成阵列示意图，模拟型顶电极和数字型顶电极交替排列。图2所示实施例1中忆阻单元的垂直剖面示意图，自下而上包含三部分：底电极，Al2O3阻变层和两个顶电极。
[0019]实施例1提供了一种忆阻单元，包括一个模拟型忆阻器TiN/Al2O3/N
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Si和一个数字型忆阻器Cu/Al2O3/N
‑
Si；其中N型高掺Si衬底（N
‑
Si）作为底电极，厚度500nm，功能层是厚度为5nm的Al2O3，TiN电极厚度为50nm，Cu电极厚度为100nm。
[0020]具体制备步骤如下：（1）衬底准备将N
‑
Si分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中，超声清洗15分钟，再用高纯氮气吹干。
[0021]（2）制备Al2O3阻变层将洗净的N
‑
Si作为基底放入原子层沉积设备（ALD）反应腔室中，以臭氧源和三甲基铝源作为前驱体源，在200℃的温度下沉积50个周期。
[0022]（3）制备顶电极在沉积Al2O3阻变层的样品上，通过掩膜先在真空热蒸发镀膜仪中制备Cu电极，作为数字型的顶电极；然后进行喷印，将模拟型的顶电极图形化，并在直流磁控溅射仪中生长TiN电极。最后形成模拟型顶电极与数字型顶电极交错排列、两两组成一个单元的结构。最后将样品分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中，清除多余的喷印胶，再用高纯氮气吹干，即可得到串联结构的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多模式可重构的忆阻单元，其特征在于，该单元结构包括串联的数字型忆阻器和模拟型忆阻器，自下而上依次包括共用的底电极、阻变层和分离的两个顶电极，所述的单元结构具有三种工作模式，通过工作模式切换实现忆阻单元可重构和多忆阻行为切换。2.如权利要求1所述一种多模式可重构的忆阻单元，其特征在于，所述的阻变层是单层结构，材料为Al2O3或ZnO。3.如权利要求2所述一种多模式可重构的忆阻单元，其特征在于，所述的阻变层材料为Al2O3，厚度在3nm~10nm之间。4.如权利要求1所述一种多模式可重构的忆阻单元，其特征在于，所述的功能层材料为Al2O3，采用原子层沉积工艺，在200℃条件下生长，前驱体氧化源采用臭氧源或水源。5.如权利要求1所述一种多模式可重构的忆阻单元，其特征在于，所述的底电极材料为高掺Si或TiN；数字型顶电极材料为Cu、Ag或Al，模拟型顶电极为TiN或Pt。6.如权利要求5所述一种多模式可重构的忆阻单元，其特征在于，所述的底电极材料是高掺Si，电阻率范围为0.002~0.004Ω
•
cm。7.如权利要求1所述一种多模式可重构的忆阻单元，其特征在于，模拟型忆阻工作电压范围在
‑
3.5V到3.5V之间，开关比为10；数字型忆阻工作电压范围在
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5V到5V之间，开关比为103；模拟型与数字型忆阻器均为非易失的双极性器件。8.如权利要求1
‑
7任一项所述一种多模式可重构的忆阻单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）衬底...
【专利技术属性】
技术研发人员：詹学鹏，王成城，陈博，陈杰智，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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